《Small》:聚合物水凝胶生物3D打印的交联策略

生物3D打印最近发展成为生产可用于再生目的或组织模型的可行结构的重要工具。为了开发仿生和可持续的 3D结构，需要考虑几个重要的加工方面，其中交联对于实现打印结构的理想生物力学稳定性最为重要，这反映在这些结构的后续行为和使用中。在本综述中， 加州大学的Ali Khademhosseini 教授及其团队在《small》上发表的《Crosslinking Strategies for Three-Dimensional Bioprinting of Polymeric Hydrogels》（IF：13.0）回顾了生物3D打印研究中使用的交联方法，讨论了影响生物墨水化学的参数，并强调了改善交联结果和构建性能的潜力。此外，还讨论了当前的挑战和未来的前景。由于交联方法与 生物3D打印结构的性质之间的直接联系，本文综述可以为未来对高级组织样结构的设计和制造过程进行必要的修改提供基础。

生物3D打印是一种用于制造可用于再生治疗或组织模型的生物构建物的重要工具。

水凝胶因其高度水合环境和模拟细胞外基质 (ECM) 的能力，而成为细胞封装的理想载体。

交联是生物3D打印过程中至关重要的步骤，它影响着打印结构的机械和物理化学特性以及负载细胞的细胞行为。

使用金属离子（如 Ca2+）与生物墨水中的阴离子基团（如羧酸基团）形成离子键，使生物墨水凝胶化。

优点：操作简便，可在温和条件下进行。

缺点：机械强度较弱，可能释放金属离子，对细胞活性有负面影响。

离子交联示意图

利用生物墨水中的阳离子和阴离子基团之间的静电相互作用形成网络结构。

优点：对细胞毒性较小，具有良好的生物相容性。

缺点：交联密度较低，需要额外的交联步骤来提高机械强度。

静电交联示意图

利用氢键、疏水相互作用、π-π 堆积等非共价键进行交联。

优点：对细胞活性影响较小。

缺点：机械强度较弱，容易断裂。

利用光引发剂在光照射下引发自由基聚合反应，使生物墨水凝胶化。

优点：操作简便，具有时空控制能力。

缺点：紫外光可能对细胞造成伤害，存在光毒性风险。

光交联示意图

利用加热或冷却使生物墨水中的聚合物链发生构象变化，形成网络结构。

优点：操作简单，对细胞毒性较小。

缺点：交联时间较长，难以精确控制交联密度。

利用 Schiff 基化学、肼-醛偶联、Diels-Alder 键合、叠氮化物-炔烃环加成等化学反应进行交联。

优点：交联密度较高，机械强度较好。

缺点：交联动力学难以控制，可能对细胞活性造成负面影响。

化学反应示意图

利用酶（如转谷氨酰胺酶、酪氨酸酶、过氧化物酶等）催化蛋白质基聚合物之间形成共价键。

优点：对细胞毒性较小，交联动力学可调。

缺点：酶促反应条件较温和，可能影响交联效率。

酶促交联示意图

生物3D打印是一种具有巨大潜力的技术，可以用于制造用于再生治疗和组织工程的生物构建物。交联是生物3D打印过程中至关重要的步骤，它影响着打印结构的性能和细胞行为。未来需要进一步研究新型材料和交联策略，以提高生物3D打印的效率和安全性，并将其应用于临床应用。

文献原文：10.1002/smll.202002931

文献链接：https://pmc.ncbi.nlm.nih.gov/articles/PMC7754762/